周國平

（上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203）

0 引 言

大深度潛水作業(yè)技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于海洋資源開發(fā)、海底資源勘探、海洋科學(xué)考察、海底設(shè)施安裝、水下系統(tǒng)施工、海底管道檢修、海底電纜搶修和大深度水下救助打撈等領(lǐng)域中的水下高端作業(yè)技術(shù)。國際上將潛水員直接暴露于水下，在水深超過50m的高壓環(huán)境下開展的潛水作業(yè)稱為深潛水作業(yè)。按照國際慣例，若潛水作業(yè)深度超過120m、作業(yè)時間超過1h，一般采用飽和潛水方式。飽和潛水是指采用潛水設(shè)備將潛水員送到水下，到達(dá)指定位置后潛水員出艙潛水巡回，是一種適用于大深度、長作業(yè)時間的水下工程的潛水作業(yè)方式。大深度潛水往往意味著作業(yè)水深超過120m，連續(xù)作業(yè)時間超過2h。大深度潛水作業(yè)的核心技術(shù)主要由大深度飽和潛水作業(yè)技術(shù)和具有高海況作業(yè)能力的深潛水作業(yè)支持船組成，深潛水作業(yè)支持船是裝載潛水設(shè)備進(jìn)行水下工程作業(yè)所需的重要海洋技術(shù)裝備。本文主要對大深度飽和潛水作業(yè)技術(shù)和深潛水作業(yè)支持船技術(shù)進(jìn)行分析。

1 大深度飽和潛水作業(yè)技術(shù)發(fā)展情況

1.1 飽和潛水作業(yè)技術(shù)國外發(fā)展情況

20世紀(jì)中葉，美國的一位鄉(xiāng)村醫(yī)生及其同事經(jīng)過反復(fù)試驗發(fā)現(xiàn)，人如果在高壓環(huán)境下逗留到一定的時間，其血液組織內(nèi)的惰性氣體會達(dá)到飽和狀態(tài)。1957年，美國海軍潛水生理學(xué)家Bond根據(jù)Haldane理論中的惰性氣體在體內(nèi)運(yùn)行的規(guī)律，提出“飽和潛水”的觀點(diǎn)，即創(chuàng)造出一種環(huán)境和條件，使?jié)撍畣T能在高壓環(huán)境下停留幾十天，其體內(nèi)各組織體液中溶解的惰性氣體達(dá)到完全飽和的狀態(tài)，待預(yù)定作業(yè)任務(wù)完成之后，一次性減壓出水，且減壓時間并不會隨潛水時間的延長而增加。飽和潛水能使?jié)撍鳂I(yè)時間大大增加，使?jié)撍ぷ餍实玫胶艽筇岣?，該技術(shù)提出之后得到了國際同行的重視，很快進(jìn)入了實際應(yīng)用階段，成為大深度潛水作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。20世紀(jì)60—70年代，為解決海洋油氣資源勘探開發(fā)和生產(chǎn)實踐中遇到的問題，研究人員重點(diǎn)圍繞水下作業(yè)技術(shù)（即有人潛水技術(shù)和潛水裝備），對一系列生理醫(yī)學(xué)和潛水安全問題進(jìn)行了研究。1962年，美國軍隊在海上組織了代號為“人在海中—I”的一系列海上飽和潛水試驗，通過實踐驗證了飽和潛水原理。在這段時間內(nèi)，為提高潛水員的深海作業(yè)能力，一些潛水技術(shù)較先進(jìn)的國家開展了一系列生物醫(yī)學(xué)試驗，進(jìn)行了增加潛水深度和延伸有效潛水時間方面的研究。

1981年，美國完成了名為“ATLANTIS Ⅲ”的模擬試驗，3名潛水員呼吸氦、氮、氧組成的混合氣，潛水最大深度為686m，在該深度處停留了24h，在大于650m的深度處共生活、工作了7d。1988年，法國海洋技術(shù)公司（COMEX）在地中海進(jìn)行了名為“HYDRA—8”的采用氫、氦、氧組成的混合氣的飽和與巡回潛水實潛試驗，潛水員在地中海水下534m處完成了規(guī)定的作業(yè)任務(wù)，這是當(dāng)時人類真正到達(dá)的水下最深潛水深度。1992年，法國COMEX又進(jìn)行了名為“HYDRA—10”的采用氫、氦、氧組成的混合氣的飽和潛水試驗，深度達(dá)到了701m，壓力為71.1個絕對大氣壓，這是當(dāng)時人類承受的最高壓力。1994年，俄羅斯?jié)撍t(yī)學(xué)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大深度動物飽和潛水試驗研究，呼吸氦、氧混合氣的飽和潛水最大深度對應(yīng)壓力達(dá)101個絕對大氣壓，呼吸氫、氦、氧混合氣的飽和潛水最大深度對應(yīng)壓力達(dá)120～190個絕對大氣壓，證明生物能承受壓力的研究空間還很大，人類有可能通過飽和潛水下潛到近2000m的深度處。2008年，日本海上自衛(wèi)隊完成了440m飽和與450m巡回潛水實潛試驗，潛水員巡潛深度達(dá)450m。據(jù)了解，美國、法國、英國、瑞士、挪威、德國、日本和俄羅斯等8個國家已先后突破400m潛水深度。

1.2 飽和潛水作業(yè)技術(shù)國內(nèi)發(fā)展情況

我國的飽和潛水技術(shù)研究雖起步較晚，但發(fā)展迅速。1975年，我國開始進(jìn)行飽和潛水動物試驗研究。1976年，在海軍醫(yī)學(xué)研究所建立了我國第一座飽和潛水試驗艙，首次將飽和潛水試驗研究由動物過渡到人，進(jìn)行了20～30m模擬空氣飽和潛水試驗，隨后進(jìn)行了40m空氣巡回潛水試驗。1977年，在海軍醫(yī)學(xué)研究所飽和潛水艙和交通運(yùn)輸部上海打撈局加壓艙進(jìn)行了飽和深度為20.0m、30.5m和36.5m的氮、氧飽和潛水試驗，以及50～70m空氣巡回潛水試驗。1979年和1981年，在“南海二號”飽和潛水設(shè)備上開展了深度120m模擬氦、氧飽和潛水與165m模擬氦、氧巡回潛水人體試驗，以及302m模擬氦、氧飽和潛水人體試驗。1982年，在“勘探一號”船上利用其飽和潛水設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行了200m模擬氦、氧飽和模擬人體試驗，獲得了成功。1987年，在海軍某潛水母船上使用從英國進(jìn)口的200m飽和潛水設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行了氦、氧飽和潛水海上人體試驗，以及80m氦、氧飽和與100m巡回潛水人體試驗。1989年，海軍醫(yī)學(xué)研究所采用500m飽和潛水系統(tǒng)進(jìn)行了模擬350m氦、氧飽和與376m巡回潛水人體試驗，高壓下暴露20d，創(chuàng)造了當(dāng)時的亞洲紀(jì)錄；隨后使用從英國進(jìn)口的200m飽和潛水設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行了海上100m氦、氧飽和與112m巡回潛水人體試驗，并進(jìn)行了120m氦、氧飽和與150m巡回潛水訓(xùn)練。2001年，分別進(jìn)行了海上140m氦、氧飽和與166m巡回潛水訓(xùn)練和150m氦、氧飽和與182m巡回潛水訓(xùn)練。2010年，海軍醫(yī)學(xué)研究所采用500m飽和潛水系統(tǒng)成功進(jìn)行了模擬480m氦、氧飽和與493m巡回潛水人體試驗，創(chuàng)造了新的亞洲紀(jì)錄，使我國成為世界上第9個掌握突破400m潛水深度、潛水員直接暴露在高壓環(huán)境下作業(yè)技術(shù)的國家。

2006年底，上海打撈局在南海番禺油田使用200m飽和潛水設(shè)備系統(tǒng)完成了海上商業(yè)飽和潛水作業(yè)（96m飽和與105m巡回潛水），潛水深度為103.5m，12名潛水員在深海高壓環(huán)境下生活了390h，出潛28人次，工作時間長達(dá)126h，在南海石油鉆井平臺旁，潛水員連續(xù)作業(yè)近8h，完成了番禺油田立管更換作業(yè)，實現(xiàn)了我國氦、氧飽和潛水從模擬試驗到商業(yè)作業(yè)的轉(zhuǎn)變，填補(bǔ)了我國飽和潛水海洋工程作業(yè)技術(shù)的空白。隨后，上海打撈局應(yīng)用飽和潛水作業(yè)技術(shù)為南海文昌油田進(jìn)行了最大水深為153m的海底膨脹彎管安裝作業(yè)。2014年1月，交通運(yùn)輸部上海打撈局在哈士基荔灣海洋工程項目中采用深潛水作業(yè)支持船“深潛”號實現(xiàn)了實際飽和潛水深度300m，巡回深度313.5m，創(chuàng)造了我國大深度飽和潛水作業(yè)新紀(jì)錄。

2 深潛水作業(yè)支持船技術(shù)發(fā)展情況

2.1 深潛水作業(yè)支持船技術(shù)國外發(fā)展情況

深潛水作業(yè)支持船是裝載潛水設(shè)備進(jìn)行大深度潛水作業(yè)用到的重要海洋技術(shù)裝備，技術(shù)難度大，專業(yè)化程度高，長期以來相關(guān)技術(shù)一直由美國、法國和挪威等發(fā)達(dá)國家掌握。例如，目前世界上較為先進(jìn)的Subsea 7系列深潛水作業(yè)支持船“Seven Atlantic”（見圖1），采用潛水系統(tǒng)與船體一體化設(shè)計，總長145m，型寬26m，配備有350m飽和潛水系統(tǒng)，雙潛水鐘，24人高壓居住艙（可同時飽和減壓24名潛水員），2套常壓空氣潛水系統(tǒng)，1臺120t海洋工程起重機(jī)，2臺工作型無人遙控潛水器（Remote Operated Vehicles,ROV），額定人員150人；Subsea 7系列深潛水作業(yè)支持船“Seven Havila”（見圖2），總長120m，配備有300m飽和潛水系統(tǒng)，雙潛水鐘，24人高壓居住艙（可同時飽和減壓24名潛水員），1臺250t海洋工程起重機(jī)，配置主動式升沉補(bǔ)償裝置（Active Heave Compensator, AHC），額定人員120人。

圖1 Subsea 7系列深潛水作業(yè)支持船“Seven Atlantic”

圖2 Subsea 7系列深潛水作業(yè)支持船“Seven Havila”

歐美等發(fā)達(dá)國家十分重視深潛水技術(shù)發(fā)展和大深度水下作業(yè)能力研究，在發(fā)展飽和潛水技術(shù)的同時，推進(jìn)了深潛水作業(yè)支持船研究，研制出了一批設(shè)計先進(jìn)、功能強(qiáng)大的深潛水作業(yè)支持船，具備400～500m深度的水下作業(yè)能力，全部采用潛水系統(tǒng)與船體一體化設(shè)計。為提高飽和潛水作業(yè)的安全性和作業(yè)效率，滿足更深海域的作業(yè)需求，飽和潛水裝備和深潛水作業(yè)支持船更趨向于大型化發(fā)展；飽和潛水系統(tǒng)擁有多個高壓居住艙和多個潛水鐘，可滿足更多的潛水員同時進(jìn)行不同深度的飽和潛水作業(yè)；深潛水作業(yè)支持船的主尺度和噸位更大，設(shè)有較大的油水艙和寬敞的甲板，動力定位系統(tǒng)級別更高，冗余度更大。20世紀(jì)90年代以來，國際上的深潛水技術(shù)研究已從有人潛水技術(shù)轉(zhuǎn)向無人遙控潛水及裝備技術(shù)。目前，深潛水作業(yè)支持船一般都配置有大深度工作型和觀察型ROV，能在船上的控制室，通過遙控界面控制船舶在高海況下進(jìn)行更深海域的水下工程作業(yè)。

2.2 深潛水作業(yè)支持船技術(shù)國內(nèi)發(fā)展情況

我國在研究飽和潛水技術(shù)的同時，也開展了深潛水作業(yè)支持船開發(fā)技術(shù)研究。在民用方面，研究該技術(shù)起初主要是為了滿足我國救助打撈技術(shù)的發(fā)展需求，包括水下人命救助、沉船沉物打撈、沉船存油抽取和油艙封堵、公共水域及航道和港口清障等。為應(yīng)對突發(fā)事件和應(yīng)急處置，早期深潛水作業(yè)支持基本上是在其他工程船上實現(xiàn)的，或是臨時租借國外深潛水作業(yè)支持船實現(xiàn)。上海打撈局在2006年底采用200m飽和潛水設(shè)備系統(tǒng)完成的飽和潛水海洋工程作業(yè)（96m飽和與105m巡回潛水）就是租借國外的深潛水作業(yè)支持船進(jìn)行的。

我國首艘深潛水作業(yè)支持船是由上海船舶研究設(shè)計院為上海打撈局進(jìn)行氦、氧飽和潛水專門研究設(shè)計的特種工程船，該船在武昌船舶重工有限責(zé)任公司青島海西灣造船基地建造，于2012年8月6日交付使用。圖3為我國設(shè)計建造的首艘300m飽和深潛水工作母船“深潛號”。該船總長125.7m，型寬25m，配置有12人300m潛深的飽和潛水系統(tǒng)、作業(yè)水深3000m的ROV和1臺140t重配置AHC的海洋工程起重機(jī)，飽和潛水系統(tǒng)采用甲板撬裝的形式布置，具有300m飽和潛水、常壓空氣潛水、ROV探測作業(yè)、水下工程起重和大深度救助打撈等功能?！吧顫撎枴笨稍谖覈?0%的水域作業(yè)，實現(xiàn)實際飽和潛水深度300m，該船的投入使用使得我國海上大深度潛水作業(yè)能力得以顯著提升。2013年7月，交通運(yùn)輸部為進(jìn)一步提高我國的深水搶險打撈作業(yè)能力和裝備水平，更好地執(zhí)行國家救助打撈和政治軍事?lián)岆U任務(wù)，啟動了具備500m飽和潛水作業(yè)能力和3000m深水搶險作業(yè)能力的新型深潛水工作母船建造項目，目前正在有序推進(jìn)。圖4為我國正在建造的500m飽和深潛水工作母船。該船配備有雙潛水鐘和24人甲板高壓居住艙（Deck Decompression Chambers, DDC），具有支持500m水深飽和潛水和6000m ROV作業(yè)能力，兼具深水管道鋪設(shè)和深水海洋工程安裝等海洋工程作業(yè)能力，建成之后將成為具備超深水施工能力的有多層飽和潛水系統(tǒng)的深潛水作業(yè)支持船。

圖3 300m飽和深潛水工作母船“深潛號”

圖4 正在建造的500m飽和深潛水工作母船

近年來，國內(nèi)數(shù)家造船廠相繼為國外船東承造了多艘深潛水作業(yè)支持船。例如：中船黃埔文沖船舶有限公司為新加坡船東承造了一艘300m飽和潛水支持船（見圖5），該船能滿足深水海域油氣資源開發(fā)的工程作業(yè)需求，配備有雙潛水鐘、24人DDC的300m飽和超深潛水設(shè)備系統(tǒng)，具有300m飽和潛水、100m常壓空氣潛水、3000m ROV探測作業(yè)和250t水下工程起重等功能，以及實施3000m水下多種工程作業(yè)和設(shè)備安裝作業(yè)支持功能；上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司為希臘船東TOISA建造了深水多功能潛水支持船（見圖6），該船可同時搭載24名潛水員分批次通過雙潛水鐘進(jìn)行最大潛水深度為300m的飽和潛水作業(yè)，配備有400t海工折臂起重機(jī)和3000m作業(yè)級ROV，可搭載垂直鋪設(shè)柔性鋪管系統(tǒng)或修井系統(tǒng)。

圖5 300m飽和潛水支持船“ORIENTAL DRAGON”

圖6 300m飽和潛水支持船“TOISA PELAGIC”

雖然我國已建造或正在建造多艘/型深潛水作業(yè)支持船，但在飽和潛水作業(yè)系統(tǒng)配置和高端深潛水作業(yè)支持船自主研發(fā)等方面仍部分依靠國外技術(shù)，在飽和潛水技術(shù)研究方面大多仍處在飽和潛水室內(nèi)試驗和飽和潛水模擬實踐研究階段，應(yīng)用于實際海洋工程作業(yè)較少，在海上飽和潛水作業(yè)水深和長時間連續(xù)作業(yè)方面表現(xiàn)都不太理想，仍面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。隨著我國南海深水海域油氣資源開發(fā)的范圍不斷擴(kuò)大和速度不斷加快，要求全面掌握當(dāng)代國際先進(jìn)的大深度水下潛水作業(yè)核心技術(shù)，并付諸海上工程作業(yè)實踐，需全面掌握當(dāng)代國際先進(jìn)的具有大深度、高海況作業(yè)能力的深潛水作業(yè)支持船設(shè)計和建造技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)備配套國產(chǎn)化，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高端深潛水作業(yè)支持船與飽和潛水裝備設(shè)計和制造技術(shù)，提升我國大深度潛水工程作業(yè)裝備的自主研制能力。

3 大深度飽和潛水作業(yè)技術(shù)特征

3.1 現(xiàn)代飽和潛水作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方案

為實施大深度飽和潛水作業(yè)，研究人員曾提出多種飽和潛水實施方法，主要有水下居住艙式飽和潛水和潛水艙（Submersible Diving Chamber, SDC）-DDC式飽和潛水2種。水下居住艙式飽和潛水方法實質(zhì)上就是讓潛水員在海底長時間居住生活，由于水面系統(tǒng)為水下居住提供的保障要求非常高，且存在很多缺點(diǎn)，技術(shù)上實現(xiàn)難度非常大，目前已被淘汰。SDC-DDC式飽和潛水方法是現(xiàn)代飽和潛水采用的標(biāo)準(zhǔn)方案，技術(shù)本質(zhì)實際上就是讓潛水員在水面的深潛水作業(yè)支持船上的DDC內(nèi)長時間居住生活，潛水員體內(nèi)各組織體液中溶解的惰性氣體達(dá)到完全飽和的程度，潛水員可長期停留在潛水深度要求的高氣壓環(huán)境下幾十天，在每次需進(jìn)行水下潛水作業(yè)時，用SDC將潛水員運(yùn)送到水下工作區(qū)域，潛水員出潛水艙巡回潛游進(jìn)行水下作業(yè)，休息時返回水面的高壓居住艙內(nèi)休息，在整個水下作業(yè)工程結(jié)束之后，在船上的高壓居住艙內(nèi)按規(guī)定程序一次性減壓，返回正常大氣壓環(huán)境。

SDC-DDC式飽和潛水方法的設(shè)備系統(tǒng)主要由SDC、DDC、逃生艙（Hyperbaric Rescue Chamber, HRC）和控制系統(tǒng)等組成，其中包括由潛水鐘吊架、主絞車、導(dǎo)纜絞車、臍帶絞車和電動液壓泵組等組成的潛水鐘收放裝置，以及由逃生艙吊架、絞車和液壓泵組等組成的逃生艙收放裝置。我國研制的深潛水作業(yè)支持船“深潛號”采用了SDC-DDC式現(xiàn)代飽和潛水的標(biāo)準(zhǔn)方案。

3.2 大深度飽和潛水與巡回潛水模式

研究人員在飽和潛水實踐中發(fā)現(xiàn)，由飽和潛水的設(shè)定深度繼續(xù)向更大深度下潛，在一定深度和時程范圍內(nèi)返回原深度，可不需要經(jīng)過減壓程序，這就是巡回潛水的技術(shù)概念。例如，2010年我國海軍醫(yī)學(xué)研究所采用500m飽和潛水系統(tǒng)進(jìn)行的模擬480m氦、氧飽和與493m巡回潛水人體試驗，480m為模擬飽和潛水設(shè)定深度，493m為巡回潛水深度，SDC將潛水員送至480m深度之后，潛水員出艙可繼續(xù)下潛至493m的深度進(jìn)行工程作業(yè)，在規(guī)定的時間內(nèi)返回SDC，不需要經(jīng)過減壓程序。同時，研究發(fā)現(xiàn)，隨著飽和潛水深度的增加，巡回潛水的時間和深度也可增加很多，即480m飽和之后的巡回潛水時間和深度范圍遠(yuǎn)超過300m飽和之后的巡回潛水時間和深度范圍，這就使得潛水員在水下更深處的潛水作業(yè)范圍更廣，活動半徑更大，潛水工作效率更高。根據(jù)飽和潛水與巡回潛水的基本原理和概念，為進(jìn)行大深度條件下的長時間潛水作業(yè)，采用下潛運(yùn)載工具將潛水員送到水下，然后潛水員出艙巡回潛游，采用巡回潛水的方法進(jìn)行水下作業(yè)，這是現(xiàn)代飽和潛水的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)方式。

我國研制的深潛水工作母船“深潛號”在哈士基荔灣海洋工程項目中就是采用的這種飽和潛水與巡回潛水作業(yè)方式，實現(xiàn)飽和潛水深度300m，巡回潛水深度313.5m。通常SDC將潛水員送到水下距海底一定的高度處，或水下工程設(shè)備和設(shè)施系統(tǒng)附近，由于海底地貌、水下工程設(shè)備和設(shè)施系統(tǒng)的海底布置會有高低深淺的變化，進(jìn)行水下作業(yè)是不可能保持作業(yè)水深與下潛運(yùn)載工具的下放深度一致的，因此潛水員出艙之后可向更深的水域巡回潛游進(jìn)行水下潛水作業(yè)。

3.3 飽和潛水系統(tǒng)設(shè)備配置技術(shù)

深潛水作業(yè)需采用潛水作業(yè)專用裝備完成，其中包括飽和潛水裝備、常規(guī)潛水裝備、載人潛水器和無人遙控潛器等，潛水作業(yè)設(shè)備系統(tǒng)配置分級為：

1) 潛水深度40m以內(nèi)的潛水作業(yè)，配置潛水深度40m的輕潛水裝備；

2) 潛水深度60m以內(nèi)的深潛水作業(yè)，配置潛水深度60m的管供空氣潛水設(shè)備系統(tǒng)；

3) 潛水深度120m以內(nèi)的深潛水作業(yè)，配置潛水深度120m的管供氦、氧混合氣體潛水設(shè)備系統(tǒng)，此外還需配置醫(yī)療加壓艙和方便潛水員下水的開式SDC吊放架等；

4) 潛水深度超過120m的大深度潛水作業(yè)，采用飽和潛水方法，配置潛水深度200m飽和潛水設(shè)備系統(tǒng)、潛水深度300m飽和潛水設(shè)備系統(tǒng)和潛水深度500m飽和潛水設(shè)備系統(tǒng)等。

為提高飽和潛水作業(yè)效率，通常配備多個甲板減壓艙和SDC，可供更多的飽和潛水員同時進(jìn)行不同水深的飽和潛水作業(yè)。

采用SDC-DDC式飽和潛水模式的現(xiàn)代飽和潛水標(biāo)準(zhǔn)方案配置1套雙SDC式24人的300m或500m飽和潛水系統(tǒng)，可同時飽和減壓24名潛水員，具備實施飽和深潛水的水下工程作業(yè)能力。圖7為飽和潛水主要設(shè)備系統(tǒng)組成，主要配置有：2個3人SDC，可供3名潛水員同時進(jìn)行潛水作業(yè)；由潛水鐘吊架、主絞車、導(dǎo)纜絞車、臍帶絞車和電動液壓泵組等組成的SDC收放裝置；1套24人DDC，其中2個主居住艙為9人雙艙減壓艙，可用于一般作業(yè)的2×6人飽和減壓居住和潛水員換班時的2×9人飽和減壓居住，輔居住艙為2×6人雙艙減壓艙，當(dāng)潛水員換班時，3人在輔居住艙減壓，另3人進(jìn)入主居住艙，從而實現(xiàn)不間斷潛水作業(yè)，提高潛水作業(yè)的效率和連續(xù)性；2個24人HRC，包括逃生艙吊架、絞車和液壓泵組在內(nèi)的逃生艙收放裝置；潛水和高壓居住艙控制艙室；動力和輔助系統(tǒng)設(shè)備艙室及飽和潛水裝置冗余供電系統(tǒng)；2個潛水月池和1個工作月池等。

圖7 飽和潛水主要設(shè)備系統(tǒng)組成

3.4 潛水月池和工作月池設(shè)計

為適應(yīng)高海況飽和潛水作業(yè)要求，深潛水作業(yè)支持船應(yīng)設(shè)置潛水月池和工作月池等專用月池，潛水作業(yè)的SDC通過深潛水作業(yè)的潛水月池潛放和回收，將潛水員送到水下，潛水月池和工作月池在接近船中的位置前后布置。SDC上下穿過潛水月池時會產(chǎn)生氣塞現(xiàn)象（瓶塞效應(yīng)），船舶的搖蕩（橫搖、縱搖和升沉），特別是升沉運(yùn)動，會使這種氣塞現(xiàn)象更趨嚴(yán)重，在SDC上下穿過潛水月池時，上下運(yùn)動的水波會對SDC產(chǎn)生砰擊，對SDC設(shè)備及其附件造成損壞，給鐘體內(nèi)人員帯來不適，潛水月池的設(shè)計關(guān)系到潛水員下水和出水的安全性。

潛水月池設(shè)計為一條從工作甲板直通船底的SDC專用通道，月池周圍采用雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層開設(shè)大的橢圓形孔，布置成濕式緩沖艙（見圖8），以緩解月池內(nèi)SDC上下穿過潛水月池時出現(xiàn)的垂向抽吸氣塞現(xiàn)象，減小月池內(nèi)上下運(yùn)動的水波對SDC的砰擊；同時，在潛水月池周圍布置壓縮空氣噴嘴，以形成氣泡阻尼層，減小下水和回收時波浪對潛水月池的影響。在潛水月池上部的工作甲板下布置空氣透氣管，以疏導(dǎo)潛水月池內(nèi)SDC上下運(yùn)動造成的正壓或負(fù)壓。潛水月池內(nèi)表面裝有SDC收放輔助導(dǎo)向裝置。潛水月池底部四周以轉(zhuǎn)圓弧過渡，保護(hù)下水的導(dǎo)纜和臍帶等不受損傷。工作月池也設(shè)計為一條從露天工作甲板直通至船底的方形專用通道，開口尺寸可大一些，工作月池可向潛水員傳送工具和器材，支持大深度飽和潛水作業(yè)，必要時還可配置另一套飽和潛水系統(tǒng)進(jìn)行潛水作業(yè)。在應(yīng)急情況下可由工作月池吊放應(yīng)急潛水裝置和潛水人員下水，救援遇險的飽和潛水人員。

圖8 潛水月池濕式消波艙主要結(jié)構(gòu)

4 深潛水作業(yè)支持船設(shè)計

4.1 深潛船型選型與總布置設(shè)計

深潛水作業(yè)支持船是現(xiàn)代化大深度飽和潛水作業(yè)支持船，用于完成多種海洋工程施工作業(yè)和水下?lián)岆U打撈作業(yè)，作業(yè)工況繁多，需滿足多種海底施工類型、條件和特點(diǎn)等的要求，不僅要承載飽和潛水系統(tǒng)（通常是飽和潛水系統(tǒng)加上氣瓶組），而且需配置起重設(shè)備、打撈施工設(shè)備和足夠的甲板作業(yè)區(qū)域，是具有特殊要求和較大甲板面積的大型特殊用途船。由于是在大深度開闊海域作業(yè)，要求船舶能適應(yīng)惡劣的海況，具備在高海況下進(jìn)行潛水作業(yè)的能力，具有很強(qiáng)的抗風(fēng)浪能力，滿足無限航區(qū)的船舶性能要求，有良好的穩(wěn)性、快速性、耐波性和操縱性等。由于是在遠(yuǎn)離海岸的開闊海域進(jìn)行長時間的連續(xù)飽和潛水作業(yè)，加上海況惡劣，鑒于這種情況下，物資補(bǔ)給十分困難，為具有強(qiáng)抗風(fēng)浪能力、抗搖能力、較大的甲板面積、較好的居住能力及較長的續(xù)航力和自持力，深潛水作業(yè)支持船需具有更大的主尺度，船舶大型化已成為其發(fā)展趨勢。為滿足多種水下工程作業(yè)設(shè)備和系統(tǒng)的布置、油水裝載和住艙舒適性等方面的要求，需對艙段艙室劃分和布置進(jìn)行深化設(shè)計研究和優(yōu)化，重點(diǎn)解決大型特種設(shè)備、居住艙室布置和總體性能方面的技術(shù)難題，滿足《特種用途船舶安全規(guī)則2008》（SPS 2008）和其他規(guī)范、規(guī)則的要求，使船型有效滿足大深度潛水作業(yè)需求。

4.2 電力推進(jìn)和高冗余動力定位技術(shù)

為確保潛水員在水下作業(yè)的安全性，現(xiàn)代化深潛水作業(yè)支持船通常采用電力推進(jìn)和高冗余度動力定位技術(shù)。電力推進(jìn)采用中央電站，可按不同負(fù)荷啟動不同數(shù)量的發(fā)電機(jī)組，投入運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組始終處于接近滿負(fù)荷的狀態(tài)，而未啟動的發(fā)電機(jī)組作為備用，這能大大提高動力設(shè)備的冗余度，更好地滿足潛水作業(yè)復(fù)雜工況的要求，確保潛水員在水下作業(yè)的安全性。高冗余度動力定位能力是深潛水作業(yè)支持船必須具有的性能，由于飽和潛水是采用下潛運(yùn)載工具將潛水員送到水下，然后潛水員出艙巡回潛游的，飽和潛水作業(yè)對深潛水作業(yè)支持船的定位能力有很高要求（偏移不能大于3m），動力定位系統(tǒng)的配置應(yīng)能保證船舶保持某個固定位置或跟蹤預(yù)定的航跡，以滿足潛水作業(yè)需要，按規(guī)范要求，動力定位等級不能低于DP-2級。動力定位是利用船舶自身具備的動力，通過對推進(jìn)器和側(cè)推裝置進(jìn)行自動控制，產(chǎn)生推力和力矩，克服由風(fēng)、浪、流等外力引起的使船舶偏離原定位置和方向的情況，使船舶保持在原定潛水作業(yè)位置及限制的位移范圍內(nèi)。動力定位系統(tǒng)具有保持指定位置和艏向、自動定位目標(biāo)位置、自動搜尋最佳方位角、跟蹤轉(zhuǎn)向點(diǎn)、跟蹤目標(biāo)、自動航跡顯示、變換回轉(zhuǎn)中心、調(diào)遣自動航行、預(yù)測漂移、分析在線定位能力、監(jiān)測和補(bǔ)償錨鏈張力等功能。

4.3 船體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

對于船體結(jié)構(gòu)設(shè)計的總縱強(qiáng)度計算，根據(jù)穩(wěn)性計算書確定許用彎矩和切力，選取典型的橫剖面確定甲板和船底構(gòu)件的尺寸，特別注意考核月池區(qū)域的船體梁強(qiáng)度，選取典型的橫剖面校核船體梁強(qiáng)度，得出許用靜水彎矩和切力。典型橫剖面結(jié)構(gòu)見圖9。船上配備有眾多特種大型設(shè)備，如何合理地對設(shè)備所在區(qū)域的船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部強(qiáng)度設(shè)計和加強(qiáng)，是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為避免船體變形對飽和潛水裝置產(chǎn)生影響，采用有限元計算方法對飽和潛水裝置區(qū)域的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核，控制該區(qū)域船體結(jié)構(gòu)的變形量。為綜合考慮各種設(shè)備對結(jié)構(gòu)的影響，需對整個設(shè)備區(qū)域結(jié)構(gòu)建立有限元模型，進(jìn)行有限元計算分析，確保其滿足規(guī)范的要求。A字架布置在艉部推進(jìn)器艙上部，該區(qū)域無法設(shè)置支柱，故通過增加強(qiáng)構(gòu)件腹板高度和面板厚度給予有效支撐；艉滾筒是通過支撐軸承與船體連接的，故需對軸承所在區(qū)域的結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊加強(qiáng)，該區(qū)域的加強(qiáng)采用縱橫交錯的艙壁支撐結(jié)構(gòu)形式；鯊魚鉗通過設(shè)置局部艙壁給予有效支撐；艉部定位錨絞車的加強(qiáng)要注意對纜繩導(dǎo)向裝置區(qū)域的加強(qiáng)；舵槳裝置安裝空間受限，故在對其進(jìn)行加強(qiáng)時要考慮船體基座施工的可行性，以及與舵槳裝置基座螺栓連接的可操作性。

圖9 深潛水作業(yè)支持船典型橫剖面結(jié)構(gòu)

4.4 大噸位海上起重作業(yè)裝備配置設(shè)計

海洋工程起重機(jī)和海上起重A字架是深潛水作業(yè)支持船配置的大型水下工程起重作業(yè)裝備，用于完成海底油氣設(shè)施安裝、水下生產(chǎn)系統(tǒng)施工和水下救助打撈等工作。海洋工程起重機(jī)和海上起重A字架的配置型式、起重能力和設(shè)備自身重量等對船舶的總體性能、結(jié)構(gòu)布置、風(fēng)浪中運(yùn)動特性和大噸位起重安全技術(shù)有著直接影響。全回轉(zhuǎn)海洋工程主起重機(jī)設(shè)置在船中露天工作甲板舷邊，采用立柱安裝，最大起重能力通常按作業(yè)需求和起重設(shè)備形式配置，并根據(jù)作業(yè)需求逐漸增大，目前最大起重能力達(dá)到250～600t，起升鋼絲繩絞車設(shè)置在起重機(jī)上的最大起重能力通常為250t（見圖10），起升鋼絲繩絞車配置在主船體艙內(nèi)的起重能力較大，設(shè)置的全回轉(zhuǎn)海洋工程輔助起重機(jī)最大起重能力通常為50～150t。海洋工程起重機(jī)最大起吊半徑可達(dá)30m以上，水下起吊工作水深2500～3000m，起重機(jī)配有AHC。在艉部設(shè)置1臺海上作業(yè)變幅門式起重機(jī)（A字架），目前A字架的最大起重能力通常為350t（見圖11），大型A字架的最大起重能力已達(dá)到500t。A字架起重絞車布置在主船體艙內(nèi)，起重吊鉤由起重絞車的鋼絲繩通過滑輪導(dǎo)纜實現(xiàn)升降起重作業(yè)。

圖10 250t全回轉(zhuǎn)海洋工程主起重機(jī)

圖11 350t海上變幅門式起重機(jī)（A字架）

4.5 ROV配置技術(shù)

為適應(yīng)更深海域的水下工程作業(yè)，深潛水技術(shù)已由潛水員下潛出艙直接暴露于水下巡回潛游發(fā)展為潛水員在船上控制室內(nèi)操縱遙控機(jī)械手進(jìn)行水下作業(yè)，有人潛水技術(shù)向無人遙控潛水技術(shù)發(fā)展使得水下工程作業(yè)能適應(yīng)500～1500m的深水海域和1500m以上的超深水海域。

當(dāng)前，深潛水作業(yè)支持船一般都配置有大深度深水作業(yè)工作型和觀察型ROV，水下作業(yè)深度可達(dá)到1000m、2000m和3000m，或更深海域，可在船上的控制室內(nèi)通過遙控界面對ROV進(jìn)行控制和操縱，ROV由吊放架從舷側(cè)吊放下水，在高海況下可由工作月池吊放下水，對海底的海洋工程設(shè)施、油氣管及電纜等進(jìn)行搜尋、探測、數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理等，并通過工作型ROV機(jī)械手進(jìn)行深水海洋工程裝備安裝、檢查和維修作業(yè)等（見圖12）。深潛水作業(yè)支持船通常設(shè)置2套工作型ROV，水下作業(yè)深度可達(dá)到3000m。該工作型ROV上設(shè)置有多套多功能機(jī)械手和探測、監(jiān)視設(shè)備，布置在艏樓和甲板室左右側(cè)ROV艙內(nèi)；配置2套專用門式吊放裝置收放和作業(yè)設(shè)備，并設(shè)置2個ROV控制室，分別控制ROV進(jìn)行水下作業(yè)，具備在3000m水深范圍內(nèi)實施無人遙控遠(yuǎn)程水下工程探測、測量、安裝、檢查和維修等多種水下工程作業(yè)的能力。

圖12 3000m工作型ROV

4.6 船舶減搖和防橫傾調(diào)載設(shè)計

深潛水作業(yè)支持船由于作業(yè)的特殊性，基本上在低速航行或停泊狀態(tài)下作業(yè)，飽和潛水作業(yè)涉及SDC的水下穩(wěn)定及潛放和回收，SDC與甲板減壓艙在高壓條件下的分離和對接，SDC在水下的升沉控制，需滿足深潛水和深水大噸位起吊等作業(yè)需求，深潛水作業(yè)支持船應(yīng)具有良好的減搖性能。矩形平面被動式減搖水艙采用對壓載水艙加設(shè)阻尼格柵的布置形式，利用船舶橫搖時壓載水的移動，通過阻尼格柵的移動產(chǎn)生異相位的橫傾力矩，達(dá)到減搖的目的，在船舶處于低速航行或停泊狀態(tài)時都能有效減少船舶橫搖?？刹⒘性O(shè)置2～3個與船寬相等的矩形平面被動式減搖水艙，在不同的海況下，根據(jù)船舶的裝載和減搖要求，對1～3個減搖水艙加注半艙壓載水，以達(dá)到壓載水最大異相位橫搖移動幅度與減搖的合適要求，有效減少船舶橫搖。海洋工程起重機(jī)在進(jìn)行大噸位海上起重作業(yè)時，起吊重物的移動和起重機(jī)吊臂的轉(zhuǎn)動會使船舶產(chǎn)生橫傾力矩，造成船舶傾斜，為保持船舶在起吊重物過程中的平衡性，需設(shè)置主動式防傾調(diào)載系統(tǒng)。根據(jù)起重機(jī)起吊重物移動產(chǎn)生的最大橫傾力矩，在主船體內(nèi)選用3～5對舷邊壓載水艙作為抗橫傾調(diào)載水艙，每對調(diào)載水艙配置1臺抗橫傾調(diào)載水泵，各調(diào)載水艙按半艙調(diào)載水計入，調(diào)載水泵排量按起重機(jī)起吊重物產(chǎn)生的最大橫傾力矩和起吊重物移動半圈花費(fèi)的最短時間核算，啟動臺數(shù)根據(jù)起重機(jī)起吊重物的工作負(fù)荷和產(chǎn)生的橫傾力矩的大小確定，以滿足起重機(jī)在海上起吊作業(yè)過程中船舶瞬間傾側(cè)時的調(diào)整要求，使船舶始終保持在起重機(jī)起吊作業(yè)前的原始平衡狀態(tài)。

5 結(jié) 語

深潛水作業(yè)支持船是現(xiàn)代化大深度飽和潛水作業(yè)的核心技術(shù)裝備，隨著海洋油氣資源開發(fā)的不斷發(fā)展，深潛水作業(yè)支持船的性能要求越來越高，包括技術(shù)更先進(jìn)，設(shè)計更合理，設(shè)備更安全，設(shè)施更可靠，適用范圍更廣，能適應(yīng)于不同水深的水下工程作業(yè)等。船舶采用電力推進(jìn)和高冗余度動力定位技術(shù)，配備飽和潛水設(shè)備、常規(guī)潛水設(shè)備、ROV、海洋工程起重機(jī)和海上起重A字架等，具備為海洋工程水下作業(yè)及海洋救助打撈提供多種大深度、高海況深潛水作業(yè)支持服務(wù)的能力。深潛水作業(yè)支持船設(shè)計研究涉及的關(guān)鍵技術(shù)眾多，研究的目的是全面掌握先進(jìn)的大深度水下潛水作業(yè)核心技術(shù)，全面掌握先進(jìn)的具有大深度、高海況作業(yè)能力的深潛水作業(yè)支持船自主開發(fā)研究設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步發(fā)展深潛水作業(yè)支持技術(shù)裝備，適應(yīng)于海洋油氣資源開發(fā)和大深度水下救助打撈，對接國家“加快建設(shè)海洋強(qiáng)國”戰(zhàn)略，滿足我國南海深水海域油氣資源勘探開發(fā)作業(yè)要求，為海上石油和天然氣勘探、開采工程提供海底設(shè)施，為油氣管及電纜的安裝、檢查和維修等海洋工程深潛水作業(yè)提供支持服務(wù)。